莊文柳，蔣傳文

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

智能變電站是由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的設(shè)備構(gòu)建而成，并以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，同時(shí)可以根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能。先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)和多功能智能電子裝置的應(yīng)用，帶來(lái)了二次系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備前所未有的融合，也給二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的影響。

目前，按照國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、《國(guó)網(wǎng)公司2011年新建變電站設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定》、《110（66）k V～220 k V智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》、《330～750 k V智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正在大力改造數(shù)字化變電站和推進(jìn)建設(shè)智能變電站示范工程，為今后智能電網(wǎng)的運(yùn)行提供重要技術(shù)支撐。

1 合并單元與智能終端的整合

智能變電站是分別通過(guò)合并單元（MU）與智能終端等智能組件設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備與二次設(shè)備的智能化接口。

MU用以對(duì)來(lái)自二次轉(zhuǎn)換器的電流或電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)組合的物理單元，分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（保護(hù)直采）或組網(wǎng)接口（SV網(wǎng)）兩種。智能終端與一次設(shè)備采用電纜連接，與保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器、刀閘、主變壓器等一次設(shè)備的測(cè)量、控制等功能。智能終端輸出接口類(lèi)型分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（保護(hù)直跳）或組網(wǎng)接口（GOOSE網(wǎng)）兩種。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，IEC 61850信息協(xié)議規(guī)范的應(yīng)用，電子式互感器技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用日益成熟，許多新產(chǎn)品已經(jīng)逐漸應(yīng)用于在建示范變電站工程中。由于存在激光供電、私有通信規(guī)約以及不便于事故分析等因素，合并單元和電子互感器通常由電子互感器廠家統(tǒng)一提供，而智能終端往往由保護(hù)廠家或監(jiān)控廠家提供。由于是兩家廠商分別提供電氣設(shè)備，往往不具備將合并單元與智能終端加以整合，造成使用電子式互感器時(shí)，要采用兩類(lèi)過(guò)程層裝置的硬件整合。

考慮到電子式互感器在實(shí)際智能變電站的應(yīng)用還尚未十分成熟，目前國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)推薦優(yōu)先采用常規(guī)互感器，故可以考慮采用合并單元（常規(guī)模擬量輸入、IEC 61850-9-2輸出）和智能終端一體化裝置的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程層集成化設(shè)計(jì)，用以減少過(guò)程層裝置數(shù)量，節(jié)省組柜要求的空間。同時(shí)，將兩個(gè)裝置合一，可以更好地實(shí)現(xiàn)過(guò)程層的SV和GOOSE網(wǎng)口的自然合并，使得裝置的總網(wǎng)口數(shù)量減少一半，過(guò)程層和間隔層的裝置設(shè)計(jì)更加緊湊。

合并單元與智能電子終端合一的智能組件，從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，到消化和自主生產(chǎn)，目前已經(jīng)有較為成熟的系列產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的保護(hù)廠家或監(jiān)控廠家都已開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，國(guó)外也有內(nèi)嵌式的智能綜合組件放置在“匯控盒”內(nèi)的案例，例如GE-BRICK的形式，相關(guān)廠家都完全具備可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)合并單元與智能終端整合硬件網(wǎng)絡(luò)的能力。

合并單元與智能終端合一裝置，可采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）直接發(fā)送報(bào)文，報(bào)文延時(shí)輸出抖動(dòng)不大于1μs，以保證插值再采樣同步的精度；采用分時(shí)報(bào)文發(fā)送技術(shù)，使得SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文在同一光纜傳輸時(shí)，SV報(bào)文發(fā)送時(shí)刻不受GOOSE報(bào)文影響，并仍支持間隔層設(shè)備插值再采用同步；采用100 M以太網(wǎng)接口和硬件解碼技術(shù)，具備100 M線(xiàn)速數(shù)據(jù)處理能力，保證通信流量滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)GOOSE相應(yīng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

對(duì)于上海電網(wǎng)待建的智能變電站，由于通常采用常規(guī)互感器，因此均可以?xún)?yōu)先考慮配置合并單元與智能終端合一裝置，以簡(jiǎn)化配置及減少投資。

2 故障錄波與網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析的整合

故障錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置，應(yīng)能記錄所有合并單元SV網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)、站控層（MMS）網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)文信息。錄波器、網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置對(duì)應(yīng)SV網(wǎng)絡(luò)、GOOSE網(wǎng)絡(luò)、MMS網(wǎng)絡(luò)的接口，應(yīng)采用相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口控制器。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)通用設(shè)計(jì)的要求，按照電壓等級(jí)配置故障錄波裝置，不單獨(dú)配置主變壓器故障錄波裝置，35 k V及以下部分采用多合一裝置實(shí)現(xiàn)故障錄波。故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析一體化裝置，宜由網(wǎng)絡(luò)記錄單元、暫態(tài)錄波單元、故障錄波及網(wǎng)絡(luò)分析主機(jī)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)記錄單元應(yīng)該連續(xù)在線(xiàn)記錄存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的原始信息報(bào)文。暫態(tài)錄波單元應(yīng)該在有故障啟動(dòng)信息時(shí)記錄存儲(chǔ)暫態(tài)波形。

當(dāng)通過(guò)組網(wǎng)接口以網(wǎng)絡(luò)方式接收SV報(bào)文時(shí)，故障錄波及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文裝置每個(gè)百兆SV采樣值接口接入合并單元數(shù)量一般不宜超過(guò)5臺(tái)。每臺(tái)故障錄波裝置的數(shù)字式交流量配置96路，開(kāi)關(guān)量配置256路。故障錄波裝置單獨(dú)組網(wǎng)，直接將信息上傳給自動(dòng)化系統(tǒng)（保護(hù)及故障信息子站功能則由自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄裝置單獨(dú)組網(wǎng)，將信息上傳給網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析裝置，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析裝置再將分析結(jié)果通過(guò)MMS接口接入站控層主機(jī)。

由于采用故障錄波與網(wǎng)絡(luò)分析一體化方案，支持報(bào)文異常、故障擾動(dòng)的交叉啟動(dòng)記錄，動(dòng)態(tài)、暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)和原始報(bào)文基于相同的數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一時(shí)鐘而且統(tǒng)一建模，實(shí)現(xiàn)了采樣點(diǎn)、原始報(bào)文的逐層綜合分析和關(guān)聯(lián)檢索；可以采用大規(guī)模FPGA并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1G帶寬的SV／GOOSE實(shí)時(shí)采集和解碼能力，基于硬件的報(bào)文異常監(jiān)視和流量統(tǒng)計(jì)，解析原始報(bào)文還原出采樣點(diǎn)和開(kāi)關(guān)量。

故障錄波與網(wǎng)絡(luò)分析一體化方案，很好地解決了動(dòng)態(tài)和暫態(tài)報(bào)文的記錄問(wèn)題，同時(shí)可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置方案，節(jié)省線(xiàn)纜敷設(shè)數(shù)量，對(duì)于220 k V及以下以及規(guī)模不大的500 k V智能變電站，應(yīng)優(yōu)先采用此類(lèi)方案。

3 保護(hù)裝置與測(cè)控裝置的整合

3.1 500 k V部分測(cè)控裝置的整合

500 k V部分通常采用3／2接線(xiàn)方式，保護(hù)裝置與測(cè)控裝置的整合，通?？梢圆捎孟铝腥N方案進(jìn)行配置。

方案一 與常規(guī)變電站類(lèi)似，保護(hù)裝置與測(cè)控裝置不采用合一裝置方式，每串獨(dú)立配置3臺(tái)測(cè)控單元，分別對(duì)應(yīng)3臺(tái)斷路器，線(xiàn)路測(cè)控功能由邊斷路器測(cè)控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者配置5臺(tái)測(cè)控單元，分別對(duì)應(yīng)3臺(tái)斷路器及兩回線(xiàn)路。由此可見(jiàn)，方案一為常規(guī)變電站所采用的整合模式，設(shè)備數(shù)量最多，各二次設(shè)備的功能單一，對(duì)變電站智能化意義不大。

方案二 測(cè)控功能與斷路器保護(hù)整合，采用雙套的斷路器保護(hù)測(cè)控合一裝置，分別對(duì)應(yīng)每串的3臺(tái)斷路器，線(xiàn)路測(cè)控功能由邊斷路器保護(hù)測(cè)控合一裝置實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，方案二將測(cè)控功能參照常規(guī)站的模式配置，與斷路器保護(hù)進(jìn)行硬件整合，減少了設(shè)備的數(shù)量，但是各個(gè)斷路器保護(hù)測(cè)控裝置之間的相互聯(lián)閉鎖等，還是需要通過(guò)GOOSE網(wǎng)進(jìn)行通信聯(lián)系。在特殊運(yùn)行方式下（如此串線(xiàn)路出串運(yùn)行，即兩個(gè)邊斷路器都斷開(kāi)），或當(dāng)此時(shí)邊斷路器檢修等，均會(huì)要求線(xiàn)路的測(cè)控單元停用，這對(duì)后臺(tái)監(jiān)控不利。

方案三 測(cè)控裝置按照每串獨(dú)立配置1套測(cè)控裝置，該測(cè)控裝置同時(shí)控制3臺(tái)斷路器及線(xiàn)路的測(cè)控功能。由此可見(jiàn)，方案三按照每串各配置1套測(cè)控單元，此測(cè)控單元僅需與本串內(nèi)配置的SV／GOOSE網(wǎng)A的交換機(jī)通信，即可以得到該串內(nèi)的所有遙測(cè)、遙信、遙控量，串內(nèi)的聯(lián)閉鎖可由獨(dú)立的測(cè)控單元一體化完成。但是，此方案自動(dòng)化單套配置，將不考慮對(duì)斷路器第二跳圈進(jìn)行操作。

通過(guò)對(duì)上述三種方案的分析可知，由于3／2接線(xiàn)的各串之間無(wú)相關(guān)影響，而串內(nèi)各回路之間影響較大，所以方案三具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?？紤]到方案三與方案二相比僅增加1套測(cè)控單元，若按串配置SV／GOOSE交換機(jī)，則此串測(cè)控單元可與交換機(jī)合柜布置。

500 k V采用單套串測(cè)控裝置，此裝置僅考慮接入SV／GOOSE的A網(wǎng)交換機(jī)，僅與第一套合并單元和智能終端合一裝置通信，因此測(cè)控單元僅對(duì)第一套跳圈動(dòng)作。

3.2 220 k V部分測(cè)控裝置的整合

220 k V部分通常為雙母線(xiàn)接線(xiàn)方式，國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)推薦采用保護(hù)測(cè)控一體化裝置，而220 k V線(xiàn)路、母聯(lián)保護(hù)又是雙重化配置，這就造成220 k V相關(guān)間隔出現(xiàn)雙測(cè)控裝置信息的處理問(wèn)題。測(cè)控單元信息包括上送的遙信信號(hào)和下傳的遙控量，上送信息可以考慮冗余處理，而遙控量只能進(jìn)行切換，因此在制定具體方案時(shí)應(yīng)考慮對(duì)上送信號(hào)采取冗余處理，同時(shí)考慮根據(jù)遙控量的切換處理，采用如圖1所示的方案。

圖1 測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)

采用圖1所示測(cè)控裝置的方案特點(diǎn)：

1）多數(shù)據(jù)源的冗余處理 如果遇到上送各個(gè)數(shù)據(jù)源不一致時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，通知運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行處理。

2）遙控量的切換 運(yùn)行人員根據(jù)裝置進(jìn)行切換?？紤]雙套測(cè)控上送遙信不一致時(shí)人工置數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)位置保持一致后再進(jìn)行操作。

3）冗余信息組態(tài) 對(duì)于冗余信息的配置，由工程人員通過(guò)組態(tài)工具完成。

4）圖形實(shí)現(xiàn)遙控的切換 在圖形上需要有專(zhuān)門(mén)的界面來(lái)進(jìn)行遙控量數(shù)據(jù)源的切換，遙控量只支持手動(dòng)切換，不支持自動(dòng)切換。

5）監(jiān)控后臺(tái)按照測(cè)控裝置進(jìn)行切換 為了保證當(dāng)?shù)睾笈_(tái)與調(diào)度看到信息的一致性，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)切換測(cè)控后，會(huì)將以哪套測(cè)控為主告知遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)同時(shí)接受兩套測(cè)控的數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)控后臺(tái)通知的以哪套測(cè)控為主的信息，來(lái)決定遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的上送。

考慮到220 k V線(xiàn)路斷路器僅有一個(gè)合閘線(xiàn)圈，當(dāng)?shù)诙诇y(cè)控單元合閘時(shí)，需要采用電纜出硬接點(diǎn)直接接入斷路器的合閘回路，此回路可以與第二套線(xiàn)路保護(hù)重合閘出口回路一并使用。

3.3 站域控制的整合

除了用于貿(mào)易計(jì)量的需配置獨(dú)立的關(guān)口表外，各間隔的計(jì)量均不考慮另外配置獨(dú)立的電能表，而是采用具備計(jì)量單元功能的測(cè)控裝置，由測(cè)控單元計(jì)量電能量后向站控層的電能量采集終端傳輸。35 k V及以下各間隔也不再另外配置獨(dú)立的電能表，由35 k V保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、錄波多合一裝置實(shí)現(xiàn)，此裝置直接接入站控層MMS網(wǎng)，將相關(guān)電能量向電能量采集終端傳輸。

整合常規(guī)電能表的方案可以節(jié)省大量的設(shè)備和線(xiàn)纜投資，而且測(cè)控單元均能夠滿(mǎn)足計(jì)量精度的要求，但是此類(lèi)方案目前最大的問(wèn)題在于裝置計(jì)量功能的周期校驗(yàn)的操作性問(wèn)題，以及表計(jì)回路獨(dú)立封印等管理上的難度。

不再獨(dú)立配置站用變備自投、電壓無(wú)功控制（VQC）、低周低壓減載裝置，完全由監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)的站域控制實(shí)現(xiàn)?？紤]到一般上述裝置的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)（秒級(jí)），而且動(dòng)作可靠性要求較低，所以采用站域控制通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)下送信息能夠滿(mǎn)足功能要求。

可以預(yù)見(jiàn)，今后此類(lèi)站域控制的規(guī)模和種類(lèi)將會(huì)得到極大的發(fā)展，今后站內(nèi)配置的安全穩(wěn)定自動(dòng)裝置均可以考慮由站域控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，進(jìn)行上述一系列的二次系統(tǒng)的功能整合，將使得變電站更加趨于智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向，國(guó)網(wǎng)公司新一代智能變電站試點(diǎn)工程中部分二次系統(tǒng)也采用了功能整合方案。隨著二次系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家研發(fā)能力的提升，二次系統(tǒng)部分的設(shè)備功能會(huì)進(jìn)一步的融合，提高整個(gè)變電站二次系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。